世界上首個(gè)軌道角動(dòng)量（OAM）波導(dǎo)光子芯片

上海交通大學(xué)金賢敏團(tuán)隊(duì)研究成功世界上首個(gè)軌道角動(dòng)量（OAM）波導(dǎo)光子芯片。使得未來在光子集成芯片內(nèi)高效利用光子軌道角動(dòng)量這一新興的的自由度成為可能，為基于光子軌道角動(dòng)量自由度的光信息以及量子信息技術(shù)芯片化集成化打開了大門。

12月7日，國際物理學(xué)權(quán)威期刊《物理評(píng)論快報(bào)》以“Mapping Twisted Light into and out of a Photonic Chip”為題，發(fā)表了上海交通大學(xué)金賢敏團(tuán)隊(duì)最新研究成果，該文報(bào)道了世界上首個(gè)軌道角動(dòng)量（OAM）波導(dǎo)光子芯片。

并且同時(shí)作為Editors’ Suggestion和Featured in Physics 亮點(diǎn)文章（highlighted article）在PRL網(wǎng)站首頁重點(diǎn)推薦。美國物理學(xué)會(huì)的《物理》期刊也做了同步發(fā)表亮點(diǎn)文章。

這是首次在光芯片內(nèi)制備出可攜帶光子軌道角動(dòng)量自由度的光波導(dǎo)，并實(shí)現(xiàn)在波導(dǎo)內(nèi)高效和高保真地傳輸。

這項(xiàng)研究進(jìn)展使得未來在光子集成芯片內(nèi)高效利用光子軌道角動(dòng)量這一新興的的自由度成為可能，為基于光子軌道角動(dòng)量自由度的光信息以及量子信息技術(shù)芯片化集成化打開了大門。

研究組發(fā)表文章前已經(jīng)為該波導(dǎo)芯片申請(qǐng)了發(fā)明專利。

帶有螺旋形波陣面的軌道角動(dòng)量光子通過芯片內(nèi)的波導(dǎo)

顯微鏡下所觀察到的“甜甜圈”型波導(dǎo)的橫截面，波導(dǎo)直徑約為10微米

近年來，由于扭曲光（twisted light）獨(dú)特的特性，具有“甜甜圈”分布的強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，螺旋型波陣面的位相結(jié)構(gòu)，攜帶軌道角動(dòng)量的動(dòng)態(tài)特性，使其被廣泛地應(yīng)用于光束縛、光操縱以及光鉗等領(lǐng)域。

不同于光的自旋角動(dòng)量，軌道角動(dòng)量擁有無限的拓?fù)浜珊蛢?nèi)在的正交性，可以為模式多路分發(fā)提供巨大的資源，用于解決通信系統(tǒng)上信道容量緊縮的問題。

而在量子光學(xué)與量子信息領(lǐng)域，光子軌道角動(dòng)量，作為內(nèi)秉的無限維的自由度，可將其用于分發(fā)高維的量子態(tài)以及構(gòu)建高維希爾伯特空間的量子計(jì)算機(jī)。

大規(guī)模地應(yīng)用軌道角動(dòng)量超越原理性的驗(yàn)證迫切地要求發(fā)展集成器件將軌道角動(dòng)量傳輸、產(chǎn)生以及操縱于一體化。

之前的工作，不論是利用可控的位相陣列，還是微環(huán)共振腔產(chǎn)生軌道角動(dòng)量，均是將軌道角動(dòng)量輻射到自由空間中，無法存在于芯片內(nèi)部。

金賢敏團(tuán)隊(duì)通過飛秒激光直寫技術(shù)制備了首個(gè)波導(dǎo)橫截面為“甜甜圈”型的三維集成的軌道角動(dòng)量波導(dǎo)光子芯片，使得軌道角動(dòng)量這一新興自由度在芯片內(nèi)操控得以在實(shí)驗(yàn)中首次實(shí)現(xiàn)。

這也將促進(jìn)未來光子集成芯片上高維量子信息與高維量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)。

傳統(tǒng)的波導(dǎo)，由于其有效折射率過小而不能分開幾乎簡并的軌道角動(dòng)量模式。

研究組通過三維飛秒激光直寫技術(shù)得到的“甜甜圈”波導(dǎo)可以有效地將簡并的軌道角動(dòng)量模式分開。

此“甜甜圈”型波導(dǎo)是由12根相互之間有輕微重疊的波導(dǎo)和高折射率芯所組成的。

通過測量從芯片出來的扭曲光與參考光的干涉以及對(duì)芯片前后的態(tài)作投影測量，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此波導(dǎo)可以高效高保真地傳輸?shù)碗A軌道角動(dòng)量模式，特別是傳輸總效率高達(dá)60%。

對(duì)于高階模式，目前加工出來的波導(dǎo)，會(huì)讓其轉(zhuǎn)化為低階模式。同時(shí)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此波導(dǎo)也可以高保真地傳輸三比特的“qutrit”態(tài)，超越了傳統(tǒng)的兩比特的“qubit”態(tài)。

這暗示著此波導(dǎo)將很有潛力可以用于高維量子態(tài)的傳輸與操控。

審稿人對(duì)該項(xiàng)成果給予了高度評(píng)價(jià)：

“the first demonstration of OAM transmission through a waveguide on chip”（首個(gè)在芯片的波導(dǎo)上演示了軌道角動(dòng)量的傳輸實(shí)驗(yàn)）

“the first OAM carrying waveguide chip”（首個(gè)可攜帶軌道角動(dòng)量的波導(dǎo)芯片）

“first promising steps towards integrated structures for OAM-carrying light and also might be considered an important step for the twisted light and optics community”（首個(gè)邁向軌道角動(dòng)量集成結(jié)構(gòu)的有前景的一步，同時(shí)對(duì)于整個(gè)光學(xué)領(lǐng)域和扭曲光來說是重要的一步）

由于此項(xiàng)研究的重大意義，國際物理學(xué)權(quán)威期刊《物理評(píng)論快報(bào)》不僅將金賢敏團(tuán)隊(duì)的這篇文章遴選為編輯推薦，同時(shí)還邀請(qǐng)了過去20年來一直在國際頂級(jí)期刊《Nature》做編輯的Philip Ball撰寫了 Twisted Light in a Photonic Chip [Physics 11, 125 (2018)]進(jìn)行深入報(bào)道。

研究團(tuán)隊(duì)感謝上海市科委重大項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的雪中送炭，感謝中組部青年千人計(jì)劃、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海市教委和上海交大致遠(yuǎn)學(xué)院的大力支持。